Астрономи використали Дуже велику антену (Very Large Array, VLA) імені Карла Янського Національного наукового фонду (США) для створення першого прямого зображення пилоподібної структури у вигляді пончика, що оточує надмасивну чорну діру в ядрі однієї з найяскравіших радіогалактик у Всесвіті. Наявність такої структури була теоретично передбачена майже чотири десятиліття тому, як істотної складової таких об’єктів. Результати дослідження оприлюднив Astrophysical Journal Letters.
Уявлення художника про об’єкт з пилу в формі пончика (він оточує надмасивну чорну діру), диск речовини (обертається навколо чорної діри) і струмінь (джет) речовини, викинутої диском, які містяться в центрі галактики. Фото з сайту https://phys.org.
Науковці вивчали Лебідь А (Cygnus A) — галактику, що лежить на відстані приблизно 760 мільйонів світлових років від Землі. У центрі галактики міститься чорна діра, маса якої в 2,5 млрд разів більша, ніж маса Сонце. Чорна діра завдяки сильній гравітації не тільки поглинає навколишню речовину, але також спричиняє появу надшвидких струменів речовини, що рухається від чорної діри майже на швидкості світла, створюючи разючі «пелюстки» яскравого радіовипромінювання.
«Центральні двигуни», в основі яких є чорна діра і які виробляють яскраве випромінювання на різних довжинах хвиль, а також струмені, що простягаються далеко за межі галактики, є загальною ознакою для багатьох галактик. Але вони демонструють різні властивості при їх спостереженнях. Ці відмінності призвели до появи різноманітних назв, таких як квазари, блазари або галактики Сейферт. Щоб пояснити відмінності, теоретики сконструювали «уніфіковану модель» із загальним набором ознак, які б демонстрували різні властивості в залежності від кута, під яким спостерігають такий об’єкт.
Складовими уніфікованої моделі є центральна чорна діра, акреційний диск (у ньому накопичується речовина, яка є в околі чорної діри) і струмені, що виходять за межі полюсів диска. Крім того, щоб пояснити, чому однотипний об’єкт має різний вигляд, якщо дивитися на нього під різними кутами, модель містить товсте тороподібне кільце пилу, яке оточує чорну діру та акреційний диск. Тор закриває деякі особливості центральної частини галактики, якщо дивитися на неї збоку, що спричиняє до очевидних відмінностей при спостереженнях навіть схожих між собою об’єктів. Астрономи називають цей загальний набір ознак активним ядром галактики (active galactic nucleus, AGN).
Зображення центральної ділянки яскравої радіогалактики Cygnus A, отримане з допомогою VLA. На ньому видно тор у формі пончика, що оточує чорну діру і акреційний диск. Фото з сайту https://phys.org.
«Тор є невід’ємною частиною явища AGN, й існують докази наявності таких структур в найближчих до Землі галактиках малої яскравості з активними ядрами, але ми ніколи раніше не бачили цього в такій яскравій радіогалактиці», — сказав Кріс Каріллі (Chris Carilli) з Національної радіоастрономічної обсерваторії (National Radio Astronomy Observatory, NRAO). «Тор допомагає пояснити, чому об’єкти, які спостерігають під різними кутами, й відомі під різними назвами, насправді є однотипними», — додав він.
У 1950-х роках астрономи виявили об’єкти з сильним радіовипромінюванням, але які мали точкоподібний вигляд, тобто були схожі на далекі зорі, коли їх згодом спостерігали в телескопи для видимого світла. У 1963 р. Мартен Шмідт (Maarten Schmidt) з Каліфорнійського технологічного інституту виявив, що один з цих об’єктів лежить надзвичайно далеко від Землі. Згодом кількість відкритих схожих об’єктів швидко зростала. Щоб пояснити, як ці об’єкти, названі квазарами, можуть бути такими яскравими, теоретики припустили, що вони мають використовувати сильну гравітаційну енергію надмасивних чорних дір. Поєднання чорної діри, диска, що обертаєтья навколо неї й названого акреційним, і струменя (джета) речовини було названо «центральним двигуном», відповідальним за сильні сплески енергії в квазарів.
Цей же тип центрального двигуна застосували також, щоб пояснити інші типи об’єктів, зокрема радіогалактики, блазари і галактики Сейферта. Однак кожен із них демонстрував різний набір властивостей. Теоретики працювали над тим, щоб розробити «схему об’єднання», тобто знайти пояснення, як одна і та сама річ може проявляти себе інакше. У 1977 р. в якості одного із елементів цієї схеми було запропоновано механізм затемнення пилом. У статті в 1982 р. Роберт Антонуччі (Robert Antonucci) з Каліфорнійського університету в м. Санта-Барбара, оприлюднив малюнок непрозорого тору — об’єкта, що має форму пончика, — навколо центрального двигуна. Відтоді астрономи вважають, що такий тор є спільною рисою всіх галактик з активними ядрами.
На зображенні центральної ділянки Cygnus A, отриманому з допомогою VLA, підписами позначено окремі утворення активного ядра цієї галактики. Фото з сайту https://phys.org.
«Cygnus A є найближчим прикладом галактики з потужним радіовипромінюванням — у 10 разів ближче, ніж будь-яка інша з порівняно сильним радіовипромінюванням. Це дало нам змогу знайти тор в ядрі галактики на зображенні з високим розділенням, отриманому з допомогою VLA», — сказав Рік Перлі (Rick Perley), який працює в NRAO. «Такі спостереження слабкіших і віддаленіших об’єктів майже напевно потребуватиме покращення чутливості та роздільної здатності до значень, які матиме наступне покоління Дуже великої антени (Next Generation Very Large Array, ngVLA)», — додав Перлі.
Спостереження, виконані з допомогою VLA, дали змогу виявити прямо газ в торі Лебідь A, який має радіус близько 900 світлових років. Багаторічні моделі для тора свідчать про те, що пил міститься в хмарах, зосереджених в дещо більшому газі.
«Це дійсно здорово, нарешті, побачити прямі докази того, що, як ми вже давно вважали, має бути» — сказав Каріллі. «Щоб точніше визначити форму і склад цього тору, ми маємо виконати подальші спостереження. Наприклад, Велика міліметрова/субміліметрова антена Атакама (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA) може виконувати спостереження на довжинах хвиль, які дають змогу прямо виявляти пил», — додав він.
Каріллі та Перлі зі своїми колегами виявили тор, коли спостерігали яскравий об’єкта поблизу центра Лебедя А, який вони відкрили в 2016 році. Цей об’єкт, за їхніми словами, є, ймовірно, другою надмасивною чорною дірою. Вона лише нещодавно зіткнулася з речовиною, яку може поглинути. У процесі такого поглинання виникає яскраве випромінювання, як і у випадку з центральною чорною дірою. Існування другої чорної діри, як зазначили науковці, наводить на думку, що Лебідь A в недалекому, за астрономічними мірками, минулому пережила злиття з іншою галактикою.
Лебідь A (названу так, бо є найпотужнішим об’єктом в радіодіапазоні у сузір’ї Лебедя) відкрив у 1946 р. англійський фізик і радіоастроном Джеймс Стенлі Гей (J.S. Hey). У 1951 р. Вальтер Бааде (Walter Baade) і Рудольф Мінковський (Rudolf Minkowski) ототожнили її з великою галактикою, яку можна спостерігатиу видимому світлі. Лебідь A стала однією з перших мішеней для VLA незабаром після введення її в дію на початку 1980-х років. Докладні зображення Cygnus A, отримані з допомогою VLA й оприлюднені в 1984 році, дали змогу астрономам досягти значних успіхів у розумінні таких галактик.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
